一种压电尺蠖旋转电机的制作方法

本发明属于纳米定位技术领域，涉及大转角行程、高转角分辨率的精密旋转驱动器，特别涉及一种压电尺蠖旋转电机。

背景技术：

压电尺蠖旋转电机是一种既能实现360º旋转、又能实现角秒级高转角分辨率的精密旋转驱动器。它基于仿生学中的尺蠖爬行原理，将压电执行器的微小位移不断累加，从而成为连续的大行程角位移。相对于电磁式旋转电机，压电尺蠖旋转电机具有无磁场、易于控制等优点；相对于超声谐振式、惯性驱动式等压电旋转电机，具有输出力大、功率密度大、定位稳定、无摩擦磨损等优点。因此，在某些需要大转角行程、高转角分辨率的精密定位领域，压电尺蠖旋转电机更具有优势。但目前的压电尺蠖旋转电机还存在以下不足：

1)电机整体结构复杂、不紧凑；

2)钳位单元的钳位位移或释放位移为其中的压电执行器的输出位移，而压电执行器的输出位移很小，为使钳位单元能够可靠地钳位与释放，就要求钳位单元及驱动单元要有非常高的加工及装配精度；

3)钳位单元的输出位移较小，不能对输出轴进行充分钳位或释放，输出轴不能被充分钳位，其受到的钳位力就会减小，运动稳定性就会降低；输出轴不能被充分释放，就会产生严重的摩擦磨损，降低电机的寿命；

4)电机不能自锁（即不能断电钳位），即电机在不工作时，输出轴不能被钳位单元夹紧；

5)输出轴在一个驱动电压周期（即一拍）内仅旋转一步，电机的运动速度慢。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供结构简单紧凑、能充分钳位与释放、断电钳位、转动速度快的一种压电尺蠖旋转电机。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种压电尺蠖旋转电机，包括用于固定的底板，垂直连接于底板的第一端盖和第二端盖，设于第一端盖和第二端盖之间的输出轴，固定设于输出轴的套筒，套筒的两侧分别设有第一驱动部和第二驱动部，第一驱动部与套筒之间设有第一钳位部，第二驱动部与套筒之间设有第二钳位部；

第一驱动部包括螺固于第一端盖的第一刚性环，设于第一刚性环内的第一刚性旋转体，设于第一刚性环上通电后推动第一刚性旋转体正转的第一驱动用压电执行器，第一刚性旋转体设有套置于输出轴的第一轴孔；

第二驱动部包括螺固于第二端盖的第二刚性环，设于第二刚性环内的第二刚性旋转体，设于第二刚性环上通电后推动第二刚性旋转体反转的第二驱动用压电执行器，第二刚性旋转体设有套置于输出轴的第二轴孔；

第一钳位部包括螺固于第一刚性旋转体上的第三刚性环，设于第三刚性环内的一对第一桥式放大机构，设于第一桥式放大机构内的第一释放用压电执行器；第一桥式放大机构包括顺次呈菱形排布的第一刚性体、第四刚性体、第二刚性体和第三刚性体，以及顺次连接第一刚性体、第四刚性体、第二刚性体、第三刚性体和第一刚性体的第一柔性薄板，第三刚性体设于第三刚性环上，第四刚性体钳位于输出轴上，第一释放用压电执行器顶设于第一刚性体和第二刚性体之间；

第二钳位部包括螺固于第二刚性旋转体上的第四刚性环，设于第四刚性环内的一对第二桥式放大机构，设于第二桥式放大机构内的第二释放用压电执行器；第二桥式放大机构包括顺次呈菱形排布的第五刚性体、第八刚性体、第六刚性体和第七刚性体，以及顺次连接第五刚性体、第八刚性体、第六刚性体、第七刚性体和第五刚性体的第二柔性薄板，第七刚性体设于第四刚性环上，第八刚性体钳位于输出轴上，第二释放用压电执行器顶设于第五刚性体和第六刚性体之间；

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述的第一驱动用压电执行器的端部与第一刚性旋转体之间顺次顶设有第一刚性浮动块和第一柔性铰链，第一刚性环设有用于定位第一驱动用压电执行器的第一定位槽，第一定位槽设有从第一刚性环外部旋入的的第一预紧螺钉；

第二驱动用压电执行器的端部与第二刚性旋转体之间顺次顶设有第二刚性浮动块和第二柔性铰链，第二刚性环设有用于定位第二驱动用压电执行器的第二定位槽，第二定位槽设有从第二刚性环外部旋入的的第二预紧螺钉。

上述的第一驱动用压电执行器的数目为两个，分别以第一轴孔为中心呈旋转对称排布；

第二驱动用压电执行器的数目为两个，分别以第二轴孔为中心呈旋转对称排布。

上述的第一刚性旋转体与第一刚性环之间连有第三柔性薄板，第三柔性薄板以第一轴孔为中心成对呈旋转对称排布；

第二刚性旋转体与第二刚性环之间连有第四柔性薄板，第四柔性薄板以第一轴孔为中心成对呈旋转对称排布。

上述的第一轴孔与输出轴为间隙设置，第二轴孔与输出轴为间隙设置。

上述的第四刚性体设有吻配于输出轴外轮廓的第一弧形面；第八刚性体设有吻配于输出轴外轮廓的第二弧形面。

上述的第一端盖设有供输出轴转动的第三轴孔，第二端盖设有供输出轴转动的第四轴孔。

上述的套筒包括对向夹设于输出轴的第一分瓣和第二分瓣，第一分瓣和第二分瓣之间旋配有第三预紧螺钉。

上述的第一桥式放大机构与套筒之间，以及与第一驱动部之间分别为间隙设置；第二桥式放大机构与套筒之间，以及与第二驱动部之间分别为间隙设置。

上述的第三刚性环上旋设有第四预紧螺钉，第四预紧螺钉与第一释放用压电执行器同轴，且顶设于第一桥式放大机构的第一刚性体上；第四刚性环上旋设有第五预紧螺钉，第五预紧螺钉与第二释放用压电执行器同轴，且顶设于第二桥式放大机构的第五刚性体上。

上述的第一刚性环、第三柔性薄板、第一刚性旋转体、第一刚性浮动块和第一柔性铰链为一体成型结构；

第二刚性环、第四柔性薄板、第二刚性旋转体、第二刚性浮动块和第二柔性铰链为一体成型结构；

第三刚性环、第一刚性体、第二刚性体、第三刚性体、第四刚性体和第一柔性薄板为一体成型结构；

第四刚性环、第五刚性体、第六刚性体、第七刚性体、第八刚性体和第二柔性薄板为一体成型结构。

与现有技术相比，本发明的一种压电尺蠖旋转电机，包括用于固定的底板，垂直连接于底板的第一端盖和第二端盖，设于第一端盖和第二端盖之间的输出轴，固定设于输出轴的套筒，套筒的两侧分别设有第一驱动部和第二驱动部，第一驱动部与套筒之间设有第一钳位部，第二驱动部与套筒之间设有第二钳位部。套筒是对外输出的连接件，固定于输出轴上，与输出轴同步转动；第一驱动部内设有通电后正转的第一刚性旋转体，第二驱动部内设有通电后反转的第二刚性旋转体，第一钳位部随第一刚性旋转体同步转动，第二钳位部随第二刚性旋转体同步转动。通过对第一钳位部、第二钳位部、第一驱动部和第二驱动部的时序控制，能实现输出轴的“单拍两步”转动。与现有的旋转电机相比，本发明的优点是：

1)电机整体结构简单、紧凑；

2)钳位机构一体化、驱动机构一体化，免去了装配及调节过程；

3)钳位机构由桥式放大机构组成，易于输出轴的装配和调节，输出轴能被充分钳位和充分释放，进而能减小输出轴与钳位机构之间的摩擦磨损及提高输出轴的驱动力；

4)通过对第一钳位部、第二钳位部、第一驱动部和第二驱动部的时序控制，能实现输出轴的“单拍两步”转动，转动速度快。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1的分解示意图；

图3是图1的轴向分解示意图；

图4是图3中第一驱动部的结构示意图；

图5是图3中第一钳位部的结构示意图；

图6是图3中第二钳位部的结构示意图；

图7是图3中第二驱动部的结构示意图；

图8是第一钳位部、第二钳位部、第一驱动部和第二驱动部的时序控制图；

图9是在一个运动周期t内输出轴和套筒沿着正向转动的实现过程示意图；

图10是在一个运动周期t内输出轴和套筒沿着反向转动的实现过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至图7为本发明的结构示意图，其中的附图标记为：第一驱动部1、第一刚性环11、第一定位槽111、第一刚性旋转体12、第一轴孔121、第一驱动用压电执行器13、第一刚性浮动块14、第一柔性铰链15、第一预紧螺钉16、第三柔性薄板17、第一钳位部2、第三刚性环21、第一刚性体22、第二刚性体23、第三刚性体24、第四刚性体25、第一弧形面251、第一柔性薄板26、第一释放用压电执行器27、第四预紧螺钉28、第一桥式放大机构29、套筒3、第一分瓣31、第二分瓣32、第三预紧螺钉33、第二钳位部4、第四刚性环41、第五刚性体42、第六刚性体43、第七刚性体44、第八刚性体45、第二弧形面451、第二柔性薄板46、第二释放用压电执行器47、第五预紧螺钉48、第二桥式放大机构49、第二驱动部5、第二刚性环51、第二定位槽511、第二刚性旋转体52、第二轴孔521、第二驱动用压电执行器53、第二刚性浮动块54、第二柔性铰链55、第二预紧螺钉56、第四柔性薄板57、第一端盖61、第二端盖62、底板7、输出轴8。

图1至图7为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的一种压电尺蠖旋转电机，包括用于固定的底板7，垂直连接于底板7的第一端盖61和第二端盖62，设于第一端盖61和第二端盖62之间的输出轴8，固定设于输出轴8的套筒3，套筒3的两侧分别设有第一驱动部1和第二驱动部5，第一驱动部1与套筒3之间设有第一钳位部2，第二驱动部5与套筒3之间设有第二钳位部4；套筒3是对外输出的连接件，固定于输出轴8上，与输出轴8同步转动。

第一驱动部1包括螺固于第一端盖61的第一刚性环11，设于第一刚性环11内的第一刚性旋转体12，设于第一刚性环11上通电后推动第一刚性旋转体12正转的第一驱动用压电执行器13，第一刚性旋转体12设有套置于输出轴8的第一轴孔121；

第二驱动部5包括螺固于第二端盖62的第二刚性环51，设于第二刚性环51内的第二刚性旋转体52，设于第二刚性环51上通电后推动第二刚性旋转体52反转的第二驱动用压电执行器53，第二刚性旋转体52设有套置于输出轴8的第二轴孔521；

第一钳位部2包括螺固于第一刚性旋转体12上的第三刚性环21，设于第三刚性环21内的一对第一桥式放大机构29，设于第一桥式放大机构29内的第一释放用压电执行器27；第一桥式放大机构29包括顺次呈菱形排布的第一刚性体22、第四刚性体25、第二刚性体23和第三刚性体24，以及顺次连接第一刚性体22、第四刚性体25、第二刚性体23、第三刚性体24和第一刚性体22的第一柔性薄板26，第三刚性体24设于第三刚性环21上，第四刚性体25钳位于输出轴8上，第一释放用压电执行器27顶设于第一刚性体22和第二刚性体23之间；当第一释放用压电执行器27通电伸长，第一释放用压电执行器27会撑开第一刚性体22和第二刚性体23，导致第一桥式放大机构29变形，使第四刚性体25逐渐向第三刚性体24靠近，最终使第四刚性体25离开输出轴8；当第一释放用压电执行器27断电复原，导致第一桥式放大机构29复原，最终使第四刚性体25重新钳位于输出轴8。

第二钳位部4包括螺固于第二刚性旋转体52上的第四刚性环41，设于第四刚性环41内的一对第二桥式放大机构49，设于第二桥式放大机构49内的第二释放用压电执行器47；第二桥式放大机构49包括顺次呈菱形排布的第五刚性体42、第八刚性体45、第六刚性体43和第七刚性体44，以及顺次连接第五刚性体42、第八刚性体45、第六刚性体43、第七刚性体44和第五刚性体42的第二柔性薄板46，第七刚性体44设于第四刚性环41上，第八刚性体45钳位于输出轴8上，第二释放用压电执行器47顶设于第五刚性体42和第六刚性体43之间；当第二释放用压电执行器47通电伸长，第二释放用压电执行器47会撑开第五刚性体42和第六刚性体43，导致第二桥式放大机构49变形，使第八刚性体45逐渐向第七刚性体44靠近，最终使第八刚性体45离开输出轴8；当第二释放用压电执行器47断电复原，导致第二桥式放大机构49复原，最终使第八刚性体45重新钳位于输出轴8。

第一钳位部2随第一刚性旋转体12同步转动，第二钳位部4随第二刚性旋转体52同步转动。通过对第一钳位部2、第二钳位部4、第一驱动部1和第二驱动部5的时序控制，能实现输出轴8的“单拍两步”转动。

实施例中，第一驱动用压电执行器13的端部与第一刚性旋转体12之间顺次顶设有第一刚性浮动块14和第一柔性铰链15，第一刚性环11设有用于定位第一驱动用压电执行器13的第一定位槽111，第一定位槽111设有从第一刚性环11外部旋入的的第一预紧螺钉16；第一预紧螺钉16用于预先固定第一驱动用压电执行器13，第一定位槽111能防止第一驱动用压电执行器13转动和横向偏移，保证第一预紧螺钉16与第一驱动用压电执行器13同轴。由于第一驱动用压电执行器13在第一定位槽111内是固定不动的，所以在第一驱动用压电执行器13通电伸长的过程中，和第一刚性旋转体12之间的夹角会产生细微变化，第一刚性浮动块14和第一柔性铰链15能将第一驱动用压电执行器13沿直线输出的位移量有效传递给第一刚性旋转体12。

第二驱动用压电执行器53的端部与第二刚性旋转体52之间顺次顶设有第二刚性浮动块54和第二柔性铰链55，第二刚性环51设有用于定位第二驱动用压电执行器53的第二定位槽511，第二定位槽511设有从第二刚性环51外部旋入的的第二预紧螺钉56。第二预紧螺钉56用于预先固定第二驱动用压电执行器53，第二定位槽511能防止第二驱动用压电执行器53转动和横向偏移，保证第二预紧螺钉56与第二驱动用压电执行器53同轴。由于第二驱动用压电执行器53在第二定位槽511内是固定不动的，所以在第二驱动用压电执行器53通电伸长的过程中，和第二刚性旋转体52之间的夹角会产生细微变化，第二刚性浮动块54和第二柔性铰链55能将第二驱动用压电执行器53沿直线输出的位移量有效传递给第二刚性旋转体52。

实施例中，第一驱动用压电执行器13的数目为两个，分别以第一轴孔121为中心呈旋转对称排布；成对呈旋转对称设置的第一驱动用压电执行器13能均匀地推动第一刚性旋转体12，避免了单向受力时第一轴孔121的轴心偏离输出轴8的轴心，从而避免了第一刚性旋转体12对输出轴8的压迫。

第二驱动用压电执行器53的数目为两个，分别以第二轴孔521为中心呈旋转对称排布。成对呈旋转对称设置的第二驱动用压电执行器53能均匀地推动第而刚性旋转体，避免了单向受力时第二轴孔521的轴心偏离输出轴8的轴心，从而避免了第二刚性旋转体52对输出轴8的压迫。

实施例中，第一刚性旋转体12与第一刚性环11之间连有第三柔性薄板17，第三柔性薄板17以第一轴孔121为中心成对呈旋转对称排布；第三柔性薄板17能增强第一刚性旋转体12转动的稳定性，防止第一刚性旋转体12发生轴向摆动。

第二刚性旋转体52与第二刚性环51之间连有第四柔性薄板57，第四柔性薄板57以第一轴孔121为中心成对呈旋转对称排布。第四柔性薄板57能增强第二刚性旋转体52转动的稳定性，防止第二刚性旋转体52发生轴向摆动。

实施例中，第一轴孔121与输出轴8为间隙设置，第二轴孔521与输出轴8为间隙设置。第一驱动部1和第二驱动部5只负责提供旋转动力，不与输出轴8产生摩擦。

实施例中，第四刚性体25设有吻配于输出轴8外轮廓的第一弧形面251；第八刚性体45设有吻配于输出轴8外轮廓的第二弧形面451。第一弧形面251和第二弧形面451都能增大与输出轴8的接触面积，增强摩擦力，进而增大输出轴8与套筒3的转矩。

实施例中，第一端盖61设有供输出轴8转动的第三轴孔611，第二端盖62设有供输出轴8转动的第四轴孔621。

实施例中，套筒3包括对向夹设于输出轴8的第一分瓣31和第二分瓣32，第一分瓣31和第二分瓣32之间旋配有第三预紧螺钉33。通过调节第三预紧螺钉33能对第一分瓣31和第二分瓣32之间的距离进行调节，从而能调节套筒3与输出轴8接触面的松紧度。

实施例中，第一桥式放大机构29与套筒3之间，以及与第一驱动部1之间分别为间隙设置；第二桥式放大机构49与套筒3之间，以及与第二驱动部5之间分别为间隙设置。

实施例中，第三刚性环上旋设有第四预紧螺钉28，第四预紧螺钉28与第一释放用压电执行器27同轴，且顶设于第一桥式放大机构29的第一刚性体22上；第四刚性环上旋设有第五预紧螺钉48，第五预紧螺钉48与第二释放用压电执行器47同轴，且顶设于第二桥式放大机构49的第五刚性体42上。第四预紧螺钉28能对第一释放用压电执行器27进行预紧固定，使第一释放用压电执行器27能紧密顶设于第一刚性体22和第二刚性体23之间；第五预紧螺钉48能对第二释放用压电执行器47进行预紧固定，使第二释放用压电执行器47能紧密顶设于第五刚性体42和第七刚性体44之间。

实施例中，第一刚性环11、第三柔性薄板17、第一刚性旋转体12、第一刚性浮动块14和第一柔性铰链15为一体成型结构；

第二刚性环51、第四柔性薄板57、第二刚性旋转体52、第二刚性浮动块54和第二柔性铰链55为一体成型结构；

第三刚性环21、第一刚性体22、第二刚性体23、第三刚性体24、第四刚性体25和第一柔性薄板26为一体成型结构；

第四刚性环41、第五刚性体42、第六刚性体43、第七刚性体44、第八刚性体45和第二柔性薄板46为一体成型结构。

一体成型结构使电机结构简化，装配和调试方便。

本发明的工作原理如下：

设第一驱动用压电执行器13通电后第一刚性旋转体12的转动方向为正向，第二驱动用压电执行器53通电后第二刚性旋转体52的转动方向为反向，在一个运动周期t内输出轴8和套筒3沿着正向转动的实现过程如下：

如图9所示，第一步，使第二钳位部4从输出轴8上释放。如图8（a）所示，给第二释放用压电执行器47通电u(t)，第八刚性体45从输出轴8上释放；

第二步，使第一驱动部1和第一钳位部2带动输出轴8正转一步，而第二驱动部5和第二钳位部4反向空转一步。具体为：当第二释放用压电执行器47通电达到稳定状态（如t1时刻）时，如图8（b）所示，给第一驱动用压电执行器13和第二驱动用压电执行器53同时通电，第一驱动部1带动输出轴8正转一步，而驱动部反向空转一步；

第三步，使第二钳位部4重新钳位于输出轴8。具体为：当第一驱动用压电执行器13和第二驱动用压电执行器53通电达到稳定状态（如t2时刻）时，如图8（a）所示，给第二释放用压电执行器47断电，第八刚性体45重新钳位于输出轴8；

第四步，使第一钳位部2从输出轴8上释放。具体为：当第二释放用压电执行器47断电达到稳定状态（如t3时刻）时，如图8（c）所示，给第一释放用压电执行器27通电，第一刚性体22从输出轴8上释放；

第五步，使第二驱动部5在恢复原位的过程中带动输出轴8正转一步。具体为：当第一释放用压电执行器27通电达到稳定状态（如t4时刻）时，如图8（b）所示，给第一驱动用压电执行器13和第二驱动用压电执行器53同时断电，第一驱动部1、第一钳位部2、第二驱动部5、第二钳位部4迅速旋转到初始角度，与此同时第二钳位部4带动输出轴8正向旋转一步；

第六步，使第一钳位部2重新钳位于输出轴8。具体为：当给第一驱动用压电执行器13和第二驱动用压电执行器53同时断电达到稳定状态（如t5时刻）时，如图8（c）所示，给第一释放用压电执行器27断电，第四刚性体25重新钳位于输出轴8。

从第一步到第六步的过程即实现输出轴8和套筒3的“单拍两步”正转。

在一个运动周期t内输出轴8和套筒3沿着反向转动的实现过程如下：

如图10所示，第一步，使第一钳位部2从输出轴8上释放。如图8（a）所示，给第一释放用压电执行器27通电，第一刚性体22从输出轴8上释放；

第二步，使第二驱动部5和第二钳位部4带动输出轴8反转一步，而第一驱动部1只带动第一钳位部2正向空转。具体为：当第一释放用压电执行器27通电达到稳定状态（如t1时刻）时，如图8（b）所示，给第一驱动用压电执行器13和第二驱动用压电执行器53同时通电，第二驱动部5带动输出轴8反转一步，而第一驱动部1带动第一钳位部2正向空转；

第三步，使第一钳位部2重新钳位于输出轴8。具体为：当第一驱动用压电执行器13和第二驱动用压电执行器53通电达到稳定状态（如t2时刻）时，如图8（a）所示，给第一释放用压电执行器27断电，第一刚性体22重新钳位于输出轴8；

第四步，使第二钳位部4从输出轴8上释放。具体为：当第一释放用压电执行器27断电达到稳定状态（如t3时刻）时，如图8（c）所示，给第二释放用压电执行器47通电，第八刚性体45从输出轴8上释放；

第五步，使第二驱动部5在恢复原位的过程中带动第二钳位部4正向空转复位，而第一驱动部1在复位的过程中带动第一钳位部2和输出轴8反转一步。具体为：当第二释放用压电执行器47通电达到稳定状态（如t4时刻）时，如图8（b）所示，给第一驱动用压电执行器13和第二驱动用压电执行器53同时断电，第一驱动部1、第一钳位部2、第二驱动部5、第二钳位部4迅速旋转到初始角度，与此同时第一钳位部2带动输出轴8反向旋转一步；

第六步，使第二钳位部4重新钳位于输出轴8。具体为：当第一驱动用压电执行器13和第二驱动用压电执行器53同时断电达到稳定状态（如t5时刻）时，如图8（c）所示，给第二释放用压电执行器47断电，第八刚性体45重新钳位于输出轴8；

从第一步到第六步的过程即实现输出轴8和套筒3的“单拍两步”反转。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。